Transformátory pro spínané zdroje Skinefekt, vliv a minimalizace rozptylové indukčnosti,

Program Ferrite Magnetic Design Tool 4.0 Materiál N22 Hysterezní smyčka ferritů má saturaci Bmax = 300 mT. Plocha hysterezní smyčky udává ztráty materiálu, pro transformátory by měla být co nejmenší. Pro jádro E25/13/7 je střední délka magnetické siločáry le = 57,5 mm = 0,0575 m. Chceme-li jádro budit až např. do H = 115 A/m, pak primární cívkou může protékat proud I . N = H . le = 115 . 0,0575 = 6,6 Az, tedy např. při 100 závitech proud 66 mA.

Průběh počáteční permeability na teplotě jádra materiál N22 jádro E25/13/7 Počáteční (relativní) permeabilita μi je dána pro: a) f < 10 kHz, b) B < 0,25 mT, c) T = 25 °C. Permeabilita určuje schopnost materiálu se magnetizovat (natáčet magnetické momenty) a tato schopnost s teplotou roste. μi = dB / dH Počáteční permeabilita μi určuje relativní permeabilitu na velmi nízké úrovni buzení B = 250 mT (H = 100 A/M) a představuje nejdůležitější prostředek pro porovnání různých ferromagnetických materiálů.

Závislost ztrát materiálu na teplotě Pokles ztrát vlivem pohyblivějších domén. Vzrůst ztrát vlivem tepelných kmitů mřížky. Možnost volby velikosti ztrát na objemu (P/V) a hmotnosti jádra (P/m)

Závislost ztrát na magnetické indukci B kW/m3 = W/dm3 Ztráty rostou s rostoucím buzením jádra, zvyšu-je se plocha hysterezní smyčky.

Perform factor Čím je větší buzení jádra, tím více se natáčejí magne-tické momenty (maximálně jsou natočené v saturaci a to do směru vněj-šího magnetického pole.) S rostoucím kmitočtem se více projevuje omeze-ní maximálního sycení jádra Bmax ( magnetické momenty se „nestíhají“ otáčet).

Amplitudová permeabilita křivka prvotní magnetizace Amplitudová permeabilita μa je číselně směrnice křivky prvot-ní magnetizace a není tedy závislá na předchozí magnetické historii materiálu. Vzhledem k tomu, že hysterezní smyčka je silně nelineární, μa je také funkce amplitudy intenzity magnetického pole H.

Komplexní permeabilita ztráta schop-nosti domén se natáčet = ztráta magnetizovatel-nosti = ztráta indukčnosti cívky maximum ztrát, doba natočení = době periody ztráty klesají, domény se nestačí natáčet

Počáteční permeabilita užívá se pro po-rovnání různých materiálů za stej-ných podmínek pokles schopnosti materiálu se magnetizovat vlivem dosažení Curieovy teploty růst schopnosti materiálu se magnetizovat vlivem dodávání tepelné energie podmínky měření počáteční permeability podle normy IEC401: f = 10 kHz, B < 0,25 mT, T = 25 °C

Efektivní permeabilita Efektivní permebilita udává vztah mezi počtem závitů cívky N, navinutých na konkrétní velikosti jádra (E30/15/7) z konkrétného magnetického materiálu (N22) a indukčností této cívky. Efektivní permeabilita s teplotou roste, tepelná energie přidává doménám na pohyblivosti při jejich natáčení = magnetizaci. tloušťka vzduchové mezery počáteční permea-bilita me = mi / (1 + d . mi / le) efektivní délka siločáry

Reverzní (relativní) permeabilita reverzní permeabilita se měří malým střídavým signálem DH v závislosti na stejnosměrné předmagnetizaci HDC: mrev = 1 / mo . lim DB / DH pro DH → 0 mrev pokles relativní reverzní permeability vlivem saturace hysterezní smyčky

Vliv skinefektu (růst střídavého odporu) plocha okénka počet závitů počet vrstev vinutí využití okénka typický pracovní kmitočet 100 kHz doporučený průměr vodiče

Vliv skinefektu - volba vodiče Průměry vodičů, plně protékané vysokofrekvenčním proudem (část gra-fu nad čarou) vlivem skinefektu v závislosti na kmitočtu tohoto proudu. Pro transformátor, který má pracovat ve spojitém režimu je typická hodnota magnetické indukce BAC okolo 0,4 T. Pro dosažení vysoké účinnosti transformátoru – magnetic-ký materiál se ztrátami pod 50 mW/cm3 při kmitočtu 100 kHz.

Konstrukce transformátoru Hlavním úkolem transformátoru je skladování energie a proto má jeho návrh a konstrukce velký vliv na účinnost.   Stejnosměrné ztráty Jediné významné stejnosměrné ztráty ve výkonovém transformátoru jsou dané odporem mědi sekundárního vinutí.   Střídavé ztráty Střídavé ztráty v transformátoru vznikají vlivem skinefektu ve vinutích transformátoru a jako střídavé ztráty v jádře. Vysokofrekvenční proudy mají sklon téci pouze povrchem vodiče do jeho jisté hloubky, nazývané hloubka vniku. Vnitřní část průřezu vodiče pak vysokofrekvenčním proudem protékána není. Výsledkem je vyšší efektivní odpor vodiče pro střídavý proud, než pro stejnosměrný. Minimalizovat střídavé ztráty v transformátoru znamená, že žádný vodič by neměl by být použitý s tloušťkou větší, než je dvojnásobek hloubky vniku při provozním kmitočtu.

Výpočet transformátoru I. Vstupní údaje: a - výkon přenášený transformátorem P (W) b - pracovní kmitočet spínaného zdroje f (Hz) c – vstupní stejnosměrné napětí UIN (V) Výpočet indukčnosti primární cívky: Lmin = UIN . tON / Imax kde: - Lmin je minimální hodnota indukčnosti pro hranici mezi spojitým a nespojitým režimem činnosti spínaného zdroje. Skutečnou hodnotu indukčnosti primární cívky transformátoru volíme pro spojitý režim L > Lmin., vlastně pro minimální hodnotu maximálního proudu, aby zdroj nepřešel do nespojitého režimu. - tON je doba sepnutí proudu do cívky, pro střídu s = 50 % ji určíme jako tON = T / 2 = 1 / (2 . f), - Imax je maximální hodnota, kterou proud dosáhne lineárním nárůstem (při konstantním napětí UIN na primární cívce – Faradayův zákon) za dobu tON a vypočte se ze vztahu: Imax = P / (UIN . 2 . s . f).

Výpočet transformátoru II. 3) Volba materiálu jádra transformátoru: - z dostupné nabídky výrobců volíme ten materiál, pro který platí: a) jeho možný pracovní kmitočet je vyšší než požadovaný v zadání a to při přiměřených ztrátách (plocha hysterezní smyčky), b) z tohoto materiálu výrobce dodává požadovaný tvar jádra a jeho požadovanou velikost, c) pro maximální buzení (Hmax) tohoto materiálu při maximální hodnotě proudu Imax vychází přiměřený počet závitů : N1 = Hmax / Imax 4) Volba tvaru a velikosti jádra: - typ jádra volíme obvykle (a nejčastěji) EE, u menších výkonů hrníček, u větších výkonů EI, II, LI apod., málo kdy toroid (složité vinutí), - velikost jádra je dána přenášeným výkonem P, zapojením spínaného zdroje (jednočinný, dvojčinný) a kmitočtem f

Výpočet transformátoru III. 5) Z katalogu výrobce jader (z programu) odečteme parametry jádra (o velikosti a tvaru EE 32/16/9) a materiálu (N22): 6) Pro minimální možnou vzduchovou mezeru s = 0,1 mm (dvě E jádra slepená k sobě) získáme magnetizační konstantu AL = 789 (nH) a efektivní hodnotu permeability me = 560 (-):

Výpočet transformátoru IV. 7) z programu pro : pracovní kmitočet, maximální ohřev (volíme dělený na půl pro jádro Fe a vinutí Cu) - pro vliv skinefektu (zvýšení stř. odporu proti stejnosměrnému) - a typ zapojení: dostaneme: max. indukci B v jádře, max. proudovou hustotu j v Cu vinutí, max. výkon Ptrans

Výpočet transformátoru V. 8) Určíme počet závitů primární cívky: N1 = L / AL 9) Vypočteme průměr vodiče kruhového průřezu primární cívky: S1 = Imax / (2 . j), kde S1 = p . d12 / 4 10) Vypočteme počet závitů N2 sekundární cívky (přibližně) podle poměru napětí: U1 / U2 = N1 / N2 11) Sekundární vinutí N2 vineme obvykle stejným průměrem vodiče d1 jako vinutí primární a pro dosažení potřebné proudové hustoty volíme vinutí několika vodičů paralelně. 12) Vlastní provedení jednotlivých vinutí na kostře a jejich izolací a prokladů je již samostatný problém s mnoha si navzájem odporujícími aspekty.

Rozptylová indukčnost Rozptylová indukčnost představuje magnetické siločáry primární cívky neprotínající závity cívky sekundární: rozptylová energie není přenesena z primárního na sekundární vinutí a tedy z transformátoru ven, rozptylová energie způsobuje při rozepnutí proudu primárním vinutím nárůst indukovaného napětí, které ohrožuje spínací tranzistor, rozptylové pole primární cívky způsobuje rušení do okolí. Dobrý transformátor má rozptylovou indukčnost primárního vinutí menší než cca 5 %, rozptylová indukčnost pod 1 % je prakticky nerealizovatelná. Minimalizace rozptylové indukčnosti se dosahuje: minimalizací počtu závitů, čtvercovým průřezem všech vinutí, minimalizací tloušťky izolací mezi vinutími, párováním (dělením) vinutí. nevhodná jádra RM, PQ a některá E. vhodná jsou jádra ETD, EER, EC a mnoho E jader.

Snižování rozptylové indukčnosti Užití trojnásobně izolovaných vodičů pro snížení tloušťky izolací. Užití vinutí s okraji zvyšuje bezpečnost ale také rozptylovou indukčnost. Pokud vinutí nezabírá celou šířku cívky, pak: vineme vodič s mezerami, vineme více tenčích vodičů paralelně.

Dělené primární vinutí Horní konec druhé části primárního vinutí je spojen s +UIN (je to bod s téměř nulovým stří-davým signálem). Spodní konec první části primárního vinutí je spojen s kolektorem spínacího tranzistoru, je to nejaktivnější bod s nejvyšším rozkmitem signálu, Sekundární vinutí je „schováno“ uvnitř vinutí primárního, tím se dosahuje velmi dobrého činitele vazby a malé rozptylové indukčnosti.

Vývody primáru a zpětnovazebního vinutí na jedné straně, vývody sekundáru na straně druhé. Průměry vodičů volíme: aby vinutí bylo na celé šířce cívky, aby byl převážný průřez vodiče protékán – skinefekt, by byl co nejmenší počet druhů průměrů vodiče.

Pro velké proudy se místo kulatého vodiče vine fólií. V případě více sekundárních vi-nutí je lze navi-nout do jedné vrstvy a rozdílné průměry vodičů vyrovnat jejich různým počtem paralelních svazků. zpětnovazební vinutí sekundáry primár

Nevhodné konstrukce vinutí Vinutí jen s částečným přesahem se nedoporučuje dělení cívek (disková vinutí) se nedoporučuje

Izolační vzdálenosti Minimální vzdálenost mezi primárním a sekundárními vinutími je rovná dvojnásobku šířky okraje M, tedy 3 mm pro 230 V. Zpětnovazební vinutí je potenciálově blízké primárnímu, ale z hlediska těsnosti vazby a regulace blízké sekundárnímu. Primární vinutí by mělo ideálně tvořit pouze kompletní vrstvu přes celou šířku cívky. Pokud tomu však tak není a zpětnovazební vinutí má pouze málo závitů, můžeme využít zbytku šířky vrstvy primárního vinutí pro navinutí zpětnova-zebním vodičem stejné tloušťky. Optimem primárního vinutí jsou jen dvě jeho vrstvy.

Trojnásobně izolované vodiče V současné době se užívají převážně v USA na napětí 110 V. Výrazně zlepšují činitel plnění cívky, těsnost vazby jednotlivých vinutí a tím i přesnost regulace. Minimální tloušťka prokladů primár-sekundár. Zpětnovazební vinutí bez prokladu k primáru. Vinutí lze realizovat bez okrajů. Jednotlivé vrstvy primárního vinutí mohou být i bez prokladů.